一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印用金属球形粉末制造领域，尤其涉及一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法。
背景技术
钢铁材料由于其优异的力学性能，冶炼容易、价格低廉等特点，是目前全世界范围内使用最多的金属材料。
中碳钢(C:0.25%～0.60%)具有良好塑性和强度，广泛应用在各种结构件和承力部件。较高的含碳量虽然会产生优异的强度，但往往导致材料焊接性能较差。目前传统的材料加工方式焊接技术加工中碳钢时极易产生裂纹，需要预热，后处理等繁琐的工艺。3D打印技术是20世纪产生的一种一体化成形材料的加工技术，直接制备出零部件，具有很高的应用前景。然而目前关于3D打印用中碳钢的粉末制备研究还比较少，因此开展相关粉末制备工艺的研究具有重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法。
本发明的技术要点为：
一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末，按照以下质量百分比组成：C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量，上述组分质量百分比之和为100%。
进一步的，所述的一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材;
S2：将S1得到的中碳钢棒材加工成电极棒，采用机械加工方式去除合金电极棒表面黑色氧化铁皮，得到表面无明显疏松、裂纹和内部缺陷的棒材;
S3：将步骤2得到的符合等离子旋转电极雾化制粉要求的合金电极棒夹持在等离子旋转电极雾化制粉装置内用于带动棒材旋转的夹持装置上，形成密封结构，然后进行抽真空处理，使整套等离子旋转电极雾化制粉装置处于真空状态下，并且通入保护气;
S4：启动雾化功能等离子发生器，等离子枪对高速旋转的中碳钢棒材端面加热，使其均匀熔化并依靠旋转产生的离心力将小液滴被高速甩出，被甩出的液滴在惰性气体中尚未碰到粉末收集仓壁之前快速冷却成球形颗粒，落在壁底;
S5：将冷却后的粉末颗粒在惰性气体保护下收集，按粒度要求筛分后分别进行真空包装。
进一步的，所述S2中，棒材直径70-90mm，长度200mm-260mm，密度为99.6%以上，无明显疏松，裂纹等内部缺陷，合金棒圆跳动小于0.05mm，直线度偏差小于0.1mm，表面粗糙度小于1.2μm，如果棒料过细，必须增加转速才能收集到粉末，并且生产效率也会随着降低，如果棒材过粗，在高速旋转下会增加安全隐患，故设定棒材直径区间在70-90mm，设定圆跳动小于0.05mm和直线度偏差小于0.1mm保证棒材在高速旋转时减少棒材的跳动和偏差，使加工更具安全性。
进一步的，所述S3中，真空度不低于5*10-3Pa，保护气为氩气和氦气混合气，氦气主要起冷却作用，氩气有助于等离子弧的形成，混合气可以使熔滴粉末的凝固速率更快，形貌更加稳定，可以稳定持续性输出熔化棒材。
进一步的，所述S4中工作时电极棒的工作转速为：12000-15500r/min，工作电压为150-200V，所述的熔化电流为1500-2000A，如果转速太低，离心力不足，导致不能稳定产生粉末;在能产生粉末的转速下，转速太大则会增大安全隐患，熔化电流和电压的能量给予太低不能使棒料熔化，能量太高会使得棒料成片成片的掉落，不能稳定持续产生高质量球形粉末。
进一步的，所述S5中所筛分出的粉末粒径主要在48-106μm之间，且根据得到的粉末，进行筛分48-106微米之间的粉末可以占到80以上。
进一步的，在S4中的合金棒材的电极端上附有一层液膜，所述液膜成分是由有水、活性剂和有机溶剂组成的纳米膜，液膜的加入可提高粉末制备的效率。
更进一步的，所述液膜的厚度为8.04-8.44μm之间，熔点处密度为7328kg·m-3,，熔点处粘度为4.32*10-3pa·s，在对附有液膜的电极棒进行加热时，等离子枪的枪口与所述电极棒的电极端距离控制在10-15mm，等离子的工作气体流量控制在80L/min，熔化的电极材料和液膜在离心力的作用下,向电极棒边缘流动,先在电极棒边缘形成一个液珥,进而在液珥上产生出液滴,最后液滴脱离液珥被甩出,形成一次颗粒，在一次颗粒与液珥的分离过程中,它们之间的粘连滚体则形成直径较一次颗粒小得多的二次颗粒，即为得到的球形粉末，液膜的厚度是通过本次设定的电极棒旋转转速设定的，离子枪的枪口与所述电极棒的电极端距离控制在10-15mm时对电极棒进行加热，等离子枪的热疗率最高，等离子的工作气体流量控制在80L/min时，等离子枪的热效率的分布更加均匀。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一,本发明采用等离子旋转电极雾化制粉制取的中碳钢球形粉末，根据中碳钢的熔点控制等离子旋转电极雾化制粉的工作电流电压，根据中碳钢的密度硬度熔点等物理性质，调整等离子旋转电极制粉的工作参数，制取的粉末球形度高，表面形貌优良，杂质少，卫星粉少等，可满足3D打印，冷等静压，热等静压等技术的使用要求。
第二，本发明通过优化工艺参数，控制粉末粒度,减少夹杂数量和尺寸以及降低气体含量，从而提高粉末质量，并且增加电极棒直径和等离子弧电流，不仅能提高生产效率,而且可以保证所需粉末的粒度.降低电极棒的转速，减少设备磨损，延长设备的使用寿命。
第三，本发明通过在合金棒材的电极端涂有液膜，提高了等离子枪对电极棒的加热效率和加热均匀度，从而提高制作球形粉的速率和质量。
附图说明
图1是本发明实施例1中碳钢球形粉末扫描图;
图2是本发明实施例2中碳钢球形粉末扫描图;
图3是本发明实施例3中碳钢球形粉末扫描图;
图4是本发明实施例4中碳钢球形粉末扫描图;
图5是本发明实施例5中碳钢球形粉末扫描图;
图6是本发明实施例6中碳钢球形粉末扫描图。
具体实施方式
实施例一：
一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末发明具体步骤：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材;
S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99%以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为70mm，长度230mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm;
S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1%。
S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为150V，熔化电流设置为1500A，棒料转速为12000r/min，使其均匀的熔化并依靠旋转产生的离心力被高速甩出，液滴在惰性气体环境中快速冷却成粉末颗粒。
S5：将S4得到的粉末在保护气体下收集，并且采用超声振动对粉末粒度进行筛分。最终得到的粉末粒度区间主要为48-106μm，具体粒度分布为：<48μm:4.53;48-58μm:6.63%;58-70μm:64.99%：70-106μm:16.21%;>106μm:7.64%(质量百分含量);流动性：16.7s/50g;松装密度：4.43g/cm3;振实密度：4.84g/cm3。如图1所示，该参数下的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，未见卫星粉和空心粉，粒度以40-70μm为主，可以满足3D打印用粉末粒度要求。
实施例二：
一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末发明具体步骤：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材。
S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99%以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为70mm，长度230mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm
S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1%。
S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为160V，熔化电流设置为1600A，棒料转速为12500r/min，使其均匀的熔化并依靠旋转产生的离心力被高速甩出，液滴在惰性气体环境中快速冷却成粉末颗粒。
S5：将S4得到的粉末在保护气体下收集，并且采用超声振动对粉末粒度进行筛分。最终得到的粉末粒度区间主要为48-106μm，具体粒度分布为：<48μm:4.23;48-58μm:4.72%;58-70μm:66.79%;70-106μm:15.54%;>106μm:8.72%(质量百分含量);流动性：16.8s/50g;松装密度：4.45g/cm3;振实密度：4.82g/cm3。如图2所示，该参数下的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，未见卫星粉和空心粉，粒度以40-70μm为主，可以满足3D打印用粉末粒度要求。
实施例三：
一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末发明具体步骤：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材。
S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99%以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为80mm，长度240mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm
S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1%。
S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为170V，熔化电流设置为1700A，棒料转速为13000r/min，使其均匀的熔化并依靠旋转产生的离心力被高速甩出，液滴在惰性气体环境中快速冷却成粉末颗粒。
S5：将S4得到的粉末在保护气体下收集，并且采用超声振动对粉末粒度进行筛分。最终得到的粉末粒度区间主要为48-106μm，具体粒度分布为：<48μm:3.86;48-58μm:6.32%;58-70μm:63.07%;70-106μm:17.20%;>106μm:9.55%(质量百分含量);流动性：15.9s/50g;松装密度：4.61g/cm3;振实密度：4.86g/cm3。如图3所示，该参数下的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，未见卫星粉和空心粉，粒度以40-70μm为主，可以满足3D打印用粉末粒度要求。
实施例四：
一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末发明具体步骤：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材。
S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99%以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为80mm，长度240mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm
S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1%。
S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为180V，熔化电流设置为1800A，棒料转速为13500r/min，使其均匀的熔化并依靠旋转产生的离心力被高速甩出，液滴在惰性气体环境中快速冷却成粉末颗粒。
S5：将S4得到的粉末在保护气体下收集，并且采用超声振动对粉末粒度进行筛分。最终得到的粉末粒度区间主要为48-106μm，具体粒度分布为：<48μm:5.45;48-58μm:4.69;58-70μm:63.45%;70-106μm:15.21%;>106μm:11.20%(质量百分含量);流动性：16.3s/50g;松装密度：4.53g/cm3;振实密度：4.78g/cm3。如图4所示，该参数下的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，未见卫星粉和空心粉，粒度以40-70μm为主，可以满足3D打印用粉末粒度要求。
实施例五：
一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末发明具体步骤：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材。
S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99%以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为90mm，长度250mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm
S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1%。
S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为190V，熔化电流设置为1900A，棒料转速为14000r/min，使其均匀的熔化并依靠旋转产生的离心力被高速甩出，液滴在惰性气体环境中快速冷却成粉末颗粒。
在S4中的合金棒材的电极端上附有一层液膜，所述液膜成分是由86%水、6%脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵和8%乙烯乙二醇醚组成的纳米膜，所述液膜的厚度为8.15μm，熔点处密度为7328kg·m-3,，熔点处粘度为4.32*10-3pa·s，在对电极棒进行加热时，等离子枪的枪口与所述电极棒的电极端距离控制在12mm，等离子的工作气体流量控制在80L/min，熔化的电极材料在离心力的作用下,向电极棒边缘流动,先在电极棒边缘形成一个液珥,进而在液珥上产生出液滴,最后液滴脱离液珥被甩出,形成一次颗粒，在一次颗粒与液珥的分离过程中,它们之间的粘连滚体则形成直径较一次颗粒小得多的二次颗粒，即为得到的球形粉末。
S5：将S4得到的粉末在保护气体下收集，并且采用超声振动对粉末粒度进行筛分。最终得到的粉末粒度区间主要为48-106μm，具体粒度分布为：<48μm:4.67;48-58μm:9.02%;58-70μm:66.55%;70-106μm:14.67%;>106μm:5.09%(质量百分含量);流动性：15.6s/50g;松装密度：4.55g/cm3;振实密度：4.83g/cm3。如图5所示，该参数下的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，未见卫星粉和空心粉，粒度以40～70μm为主，可以满足3D打印用粉末粒度要求。
实施例六：
一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末发明具体步骤：
S1：按照C：0.43%;Mn：0.58%;Si：0.18%;Cr：0.25%;Ni：0.24%;Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材。
S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99%以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为90mm，长度260mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm
S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1%。
S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为200V，熔化电流设置为2000A，棒料转速为15500r/min，使其均匀的熔化并依靠旋转产生的离心力被高速甩出，液滴在惰性气体环境中快速冷却成粉末颗粒。
S5：将S4得到的粉末在保护气体下收集，并且采用超声振动对粉末粒度进行筛分。最终得到的粉末粒度区间主要为48-106μm，具体粒度分布为：<48μm:4.93;48～58μm:6.02%;58-70μm:65.59%;70-106μm:15.21%;>106μm:8.25%(质量百分含量);流动性：16.6s/50g;松装密度：4.49g/cm3;振实密度：4.92g/cm3。如图6所示，该参数下的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，未见卫星粉和空心粉，粒度以40-70μm为主，可以满足3D打印用粉末粒度要求。
以上实施例中设备和工件参数如下表1所示：
表1：实施例工作参数和工件参数对比表
以上实施例中粒度区间如下表2所示：
表2：本发明实施例粒度区间对比表
上述实施例中氩气和氦气的混合比均为：3:7。
通过上述实施例和表格所示数据可知，每个实施例中所制备的中碳钢粉末球形度良好，粉末粒径分布均匀，均未见卫星粉和空心粉，粒度以40-70μm为主，均可以满足3D打印用粉末粒度要求，由于在实施例5中的合金棒材上附有一层液膜，所以实施例5中，所得到在48-106μm粒度区间的球形粉末最多，更加符合3D打印用中碳钢金属球形粉末粒度要求。
